基于低滾阻輪胎的能耗收益分析及多性能平衡

陳福震 馬海峰 孫立志 孫躍輝

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315300

1 引言

根據新能源正積分可抵消平均燃油消耗負積分的規則，2020年，中國乘用車市場“雙積分”存在-338萬分的缺口。而據興業證券發布的研報顯示，當前新能源積分交易價格已從最初的300～500元/分上漲到2500～3000元/分，達到近10倍的增長速度。近日，有媒體爆出一汽-大眾將從特斯拉購買碳積分的消息，出價約為每個積分3000元人民幣，以幫助其滿足環保規定。

面對日趨嚴格的雙積分政策，降低油耗/電耗已成為各車企的不二選擇。基于以往數據研究表明，輪胎滾動阻力造成的燃料消耗占總消耗量的14%～20%。此外，在當前純電動車的研發難點普遍集中在續航里程的提升上，而一時間受困于成本壓力又找不到特別行之有效的解決方法時，針對純電動車型采用更低滾阻輪胎成為提升電動車續航里程一個簡單直接的手段。

2 低滾阻輪胎的發展趨勢

為應對整車廠通過使用低滾阻輪胎，實現降低油耗，增加續航里程的要求，各輪胎供應商正在著力布局未來輪胎低滾阻規劃。如某品牌輪胎，規劃在2022年底，實現5.5‰的低滾阻輪胎，在2024年底，達成5‰的目標，同時保證其他性能。相較于當前市場普遍7‰左右的滾阻，有較大提升。

圖1 某品牌輪胎滾阻現狀及規劃

3 低滾阻輪胎油耗、電耗收益

3.1 低滾阻對于滑行阻力的影響（乘用車子午線輪胎）

通常我們用整車滑行阻力，代表汽車行駛需克服阻力的大小。汽車行駛阻力一般包括輪胎阻力（摩擦力）、卡鉗拖滯力、傳動系統阻力、空氣阻力等。基于研究表明，在中低車速下，汽車的油耗電耗有70%-80%用來克服輪胎滾動阻力，而在高車速情況下，風阻成為了影響阻力的又一關鍵因素。

乘用車滑行阻力中滾動阻力參考如下公式：

P：胎壓，單位：kPa

α：滾動阻力胎壓修正系數，參考值：-0.485386

β：正壓力修正系數，參考值：1.1001

M：測試質量；單位Kg

a：滾動阻力修正系數，參考值：0.0286276

b：滾 動 阻 力 修 正 系 數，參 考 值：9.52476E-05

c：滾 動 阻 力 修 正 系 數，參 考 值：-8.7253E-08

V：車速，單位：km/h

如圖2所示：橫向看來，隨著車輛整備質量的增加，車輛滑行時的平均阻力也隨之增加，對應的整車油耗、電耗亦增加；縱向看來，相同整備質量的車輛，在10-120km/h車速下的平均阻力隨著輪胎滾動阻力的增加而增加，輪胎滾動阻力系數每降低0.5‰，阻力約下降10N。

圖2 平均阻力隨車重變化和滾阻差異的變化(10-120km/h)

圖3為某一車輛（1750Kg級別的SUV）在不同車速及不同輪胎滾阻條件下，車輛實際的滑行阻力曲線。可以看出，隨著車速增加，行駛阻力逐漸加大，同時，車速越高，行駛阻力的增加更快，主要為風阻影響；也再次證明，滾阻降低，整車整體阻力呈現下降趨勢。

圖3 行駛阻力隨車速及滾阻變化趨勢（10-120km/h）

3.2 低滾阻輪胎對乘用車的油耗影響（以某1750kg級別SUV為例，對比滾阻6.3‰和6.8‰）

3.2.1 低滾阻對于汽油車/混動車的油耗影響（WLTC）

如圖4所示，為某車型分別使用滾阻6.3‰和6.8‰滾阻的輪胎，進行WLTC循環工況轉轂測試，實際測得的輪端驅動能量對比。

圖4 WLTC循環工況驅動能量對比

可以看出，同一車輛只更換不同滾阻輪胎：6.3‰輪胎滾阻對應的整車驅動能量需求為4.136kWh，而6.8‰輪胎滾阻對應的整車驅動能量需求為4.191kWh。故輪胎滾動阻力系數降低0.5‰，輪端能量需求可以降低0.055kWh；

基于此，對于傳統燃油車及混合動力車型，下降0.5‰的輪胎滾阻在WLTC循環中的節油貢獻：

（1）當發動機平均效率為36%（傳統燃油車）：WLTC循環工況節油=驅動能量/轉化系數/發動機循環平均效率*100/循環里 程=0.055/8.6/0.36*100/23.7=0.075L/100km

（2）當發動機平均效率為40%（混合動力車）：WLTC工況節油=驅動能量/轉化系數/發動機循環平均效率*100/循環里程=0.055/8.6/0.4*100/23.7=0.067L/100km

計算公式：油耗（L/100km）=驅動能量/轉化系數/發動機循環平均效率★100/循環里程（WLTC：23.7Km）

轉化系數=汽油熱值（KJ/Kg）★密度（g/ml）/3600（kWh/KJ）=8.6

基于以上計算，輪胎滾阻從6.8‰降低到6.3‰，對傳統燃油車，WLTC循環工況可降低油耗0.075L/100Km，對于HEV等熱效率較高的車型，可降低油耗0.067L/100Km。

3.2.2 輪胎滾阻對插電混合動力車及純電動車的電耗影響（WLTP）

使用相同測試方法，在某車輛上更換不同滾阻的輪胎，6.3‰滾阻對應的整車循環能量需求為3.776kWh；6.8‰滾阻對應的整車循環能量需求為3.857kWh；

故可計算循環電耗如下：

6.3‰滾阻對應的電耗＝能量/電驅系統循環平均效率（0.7～0.85）*100/循環里程（23.7）＝18.74 kWh/100km；

6.8‰滾阻對應的電耗＝能量/電驅系統循環平均效率（0.7～0.85）*100/循環里程（23.7）＝19.15 kWh/100km；

經驗計算公式：電耗（Kwh/100km）=能量/電驅系統循環平均效率（0.7～0.85）*100/循環里程

若電池可用電量為100kWh，則對應增加續航里程為

4 低滾阻輪胎性能平衡

4.1 輪胎性能目標定義

考慮汽車輪胎影響車輛的多個性能，如動力性、經濟性、操控穩定性、舒適性、制動性能、耐磨、抗沖擊等。降低輪胎滾阻，將會導致其他性能的降低，但是隨著技術的升級，新輪胎材料及花紋的應用，性能降低量會逐漸減小，直到達到或者超越原始輪胎性能。

基于市場定位及客戶可感知度，在保證耐磨及抗沖擊性能的前提下，針對其他性能，滾阻為必須保證項，NVH及舒適性為客戶易于感知項，且容易產生抱怨，應優先保障；操控為非常用工況且一般客戶較難感受差異，但是對緊急情況及敏感客戶又有價值，可優先級略靠后；制動距離需保證在一定安全范圍內必須達成，考慮標桿胎制動水平較好，距離安全范圍有一定預留，故制動可適量放寬；動力性同時收到動力性能能力，在輸出扭矩不超越輪胎打滑極限時，可不做考慮。

基于以上分析，排除a.必須保證性能項-耐磨及抗沖擊性能，b.不需考慮性能-動力性后，輪胎性能優先級排序：滾阻＞NVH=舒適性＞操控＞制動。故低滾阻輪胎需重點保證滾阻、NVH及舒適性。考慮標桿胎性能水平及市場反饋，兼顧低滾阻輪胎可達成情況，初步定義輪胎性能目標按照參考胎水平設定，同時，基于性能優先級，在調校過程中，重點保證高關注項目。

表1 輪胎調校性能目標

4.2 低滾阻輪胎性能調教與平衡

首輪樣件，輪胎使用低滾阻配方，提供AB兩個方案，A方案輪胎滾阻達到了5.9‰，B方案輪胎滾阻6.1‰。舒適性上兩方案對比，B方案同A方案相比，柔和感、包覆感、觸感稍微更好，車輛更舒適，余振稍微偏多，但是整體感覺非常接近。在操控方面，B方案的附著力稍好于A方案，響應兩者基本相當，極限操控B方案稍好。與標桿胎對比，A方案操控有0.5分差距，平順性有0.5分差距，柔和感、隔離感接近，主要是彈跳和余振控制不足。B方案操控與標桿胎有0.5分差距，平順性有0.25分差距。就噪聲而言，A方案不可行，粗糙路面的空腔音（200-250Hz）無法接受；B方案，路噪總值噪聲高出0.8dB左右，空腔音及水泥刻槽路面嘯叫音需要繼續優化。A方案及B方案制動經測試均滿足整車性能目標＜38m的要求。

綜合此輪調校結果，要求下輪樣胎放開滾阻到6.3‰，同時通過輪胎內層厚度增加，冠帶密度增加，三角膠高度降低等方案，重點優化平順性及NVH，提升操控性能。

第二輪調校，供應商將輪胎滾阻控制在6.4‰以內，各項性能同首輪樣胎相比已經有較大提升，二輪A方案平順性水平已同標桿胎一致，操控性能略低于標桿胎0.25分，NVH整體性能較標桿胎差異小于0.25分，其中200-250Hz空腔音甚至優于標桿胎0.6dB。

通過此輪調校及評價測試，A方案各項性能距離目標差異較小，評估針對薄弱項目還有可優化空間，故鎖定方案A，并在A方案的基礎上略微降低滾阻，繼續優化操控并提升NVH性能。

4.3 性能驗收

進入性能驗收階段，并結合前兩輪開發結果及優化措施，最終確定量產低滾阻輪胎性能參數：

表2 首輪調校性能結果

在最終鎖定輪胎方案中，操控無法再進一步提升，與標桿胎始終有0.25分的差異，雖然后續又針對性進行了優化，但是會導致其他性能降低或者滾阻上升。考慮性能優先級，且主要問題為極限操控下的輪胎側滑增加，為客戶的非常用工況，故認可此偏差。

從原理上看，輪胎滾動阻力降低，則地面與輪胎的附著系數降低，進而導致輪胎與地面的附著力降低，而輪胎附著力影響著車輛操控時的橫向及縱向滑移控制，制動時的摩擦力，加速時候的打滑等。雖然通過輪胎優化能夠有一些附著力提升的方案，但是仍舊會有差異。

5 結語

本文通過低滾阻輪胎的阻力差異，進行了驅動能量差異的測試，并最終據此計算出滾阻降低對車輛油耗電耗的收益：車速120km/h，輪胎滾動阻力每降低0.5‰，行駛阻力下降約10N；同時，對傳統燃油車，WLTC循環工況每100km可降低油耗0.075L；對于純電車輛，輪胎滾阻降低0.5‰，可增加續航里程11.4Km。

在低滾阻輪胎調校過程中，需要特別注意的是滾阻降低，帶來的其他性能的降低，特別是和附著力相關的性能，只有做到充分平衡，多次優化，最終才能得到相對較好的結果。低滾阻輪胎更適用于對油耗、電耗敏感的經濟型車輛，對整車碳排放降低有貢獻。但若是性能車，更加關注車輛的操控、制動、加速性能，就不推薦使用低滾阻輪胎了，這時候保證輪胎附著力是最關鍵的。